ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ ИОНОВ НА ПОВЕРХНОСТИ γ-Al₂O₃

Курмышева Александра Юрьевна

аспирант, кафедра «Химия», Московский Государственный Университет Машиностроения «МАМИ», г. Москва

E-mail: ankrepta@gmail.com

Горичев Игорь Георгиевич

д-р хим. наук, профессор МПГУ, г. Москва

Забенькина Екатерина Олеговна

канд. хим. наук доцент, кафедра «Химия», Московский Государственный Университет Машиностроения «МАМИ», г. Москва

E-mail: zabenkinno@list.ru

Работа выполнена при финансовой поддержке государственной программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009—2013 годы» (контракты № 14.740.11.1095, 16.740.11.0679) и аналитической ведомственной целевой программы (шифр заявки № 3.5258.2011).

Адсорбция катионов металлов на поверхности оксидов очень важное явление в таких областях науки как нефтехимия, геохимия, коллоидная и каталитическая химия. Для описания процесса адсорбции широко используются изотермы, которые выражают зависимость количества адсорбированного вещества от рН раствора электролита. Анализ таких изотерм позволяет провести моделирование процесса адсорбции.

Адсорбция катионов всегда сопровождается адсорбцией гидроксогрупп, которые создают отрицательный заряд поверхности в зависимости от рН среды. В качестве адсорбента широкое применение нашел оксид алюминия, Al₂O₃. В водных растворах оксид алюминия в кислой среде проявляет положительный заряд, а в щелочной — отрицательный, что позволяет поверхности оксида адсорбировать избирательно анионы (в кислых средах) и катионы (в щелочных средах) [3].

Целью работы является исследование закономерностей адсорб­ции катионов металлов первого переходного периода на γ-Al₂O₃ от рН.

 1. Экспериментальная часть.

Проведено исследование влияния рН на адсорбцию катионов: Cr³⁺, V⁴⁺, Fe³⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Pb²⁺, на γ-Al₂O₃ (поверхность оксида, измеренная методом БЭТ составляет 100 м²/г.). Величина адсорбции определялась по разности начальной (С_исх) и конечной (С_кон) концентрации катионов при взаимодействии их с оксидом алюминия в растворе электролита. Относительная адсорбция (Г, %) в процентах вычислялась как

                                                                  (1)

Концентрация катионов металлов определялась спектрофотометрическими методиками, описанными Марченко З. и Бальцежак М. [1]. Время проведения эксперимента составляло от 1 до 20 ч. Система продувалась инертным газом (азотом).

2. Результаты и обсуждение.

Рис.1 Зависимость величины адсорбции Г, % катионов металлов на оксиде алюминия от рН раствора.

Из анализа данных рис. 1 следует, что с увеличением рН раствора количество адсорбированных катионов возрастает. Это, главным образом, свидетельствует о том, что катионы адсорбируются на отрицательно заряженной поверхности оксида алюминия, т. К. рН точки нулевого заряда_. соответствует значению 8.2—8.6 [3].

Для определения констант адсорбционного равновесия экспериментальные данные перестраивались в координатах log(Г/100-Г) — рН раствора.

Рис.2 Зависимость логарифма величины адсорбции, Г от рН раствора. Точки — экспериментальные данные, линии — графическое изображение уравнения (2).

Величины констант адсорбционного равновесия вычислены по уравнению:

,                                             (2)

где: K — константа адсорбционного равновесия;

n — тангенс угла наклона логарифмической прямой к оси абсцисс.

Константа адсорбционного равновесия изменяется в порядке увеличения значения адсорбции катионов на оксиде.

Таблица 1.

Логарифм константы адсорбционного равновесия, рК
и константы первой ступени гидролиза, рК_гидр для рассматриваемых катионов металлов.

Рис.3 Корреляция между константами адсорбционного равновесия и константами первой ступени гидролиза для рассматриваемых катионов металлов.

Из анализа данных таблицы 1 и рис. 3 прослеживается корреляция между величинами констант адсорбционного равновесия и величинами констант первой ступени гидролиза.

3. Выводы

1.Показано, что величина константы адсорбционного равновесия коррелирует с рKгидр. первой ступени гидролиза, согласно полученным и литературным данным [2];

2.Анализ экспериментальных данных показывает, что чем выше константа гидролиза и соответствующая ей константа адсорбционного равновесия, тем катион легче подвергается гидролизу и способствует образованию гидратированных форм, проявляющих высокую адсорбционную способность на отрицательно заряженной поверхности оксида, что убедительно доказывает протекание предшествующего перед началом адсорбции процесса гидролиза.

Список литературы:

1. Марченко З., Бальцежак М. Методы спектрофотометрии в УФ и видимой областях в неорганическом анализе. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. — 711 с.
2. Назаренко В.А., Антонович В.П., Невская Е.М. Гидролиз ионов металлов в разбавленных растворах. М.: Атомиздат, 1979. - 192 с.
3. Sposito G. The Environmental Chemistry of Aluminum. Dept. Environ. Sci., University of California, Lewis, 1996. - 63 p.